动手学深度学习（pytorch）学习记录27-深度卷积神经网络(AlexNet)[学习记录]

AlexNet 是由 Alex Krizhevsky、Ilya Sutskever 和 Geoffrey Hinton 在 2012 年提出的深度卷积神经网络，它在当年的 ImageNet 大规模视觉识别挑战赛（ILSVRC）中取得了显著的成绩，从而引起了深度学习和卷积神经网络（CNN）在计算机视觉领域的广泛关注。AlexNet 的成功标志着深度学习在图像识别和分类任务中的一个重大突破，它采用了以下关键技术和创新：

• ReLU激活函数：AlexNet 首次在大规模的深度网络中使用了 Rectified Linear Unit（ReLU）激活函数，这有助于解决梯度消失问题，并加速了网络的训练过程。
• Dropout 正则化：为了防止过拟合，AlexNet 引入了 Dropout 技术，这是一种在训练过程中随机丢弃一部分神经元的技术。
• 最大池化层：AlexNet 使用了最大池化层来降低特征的空间尺寸，同时保持重要的特征信息。
  数据增强：为了提高模型的泛化能力，AlexNet 采用了图像数据增强技术，包括随机裁剪和水平翻转。
• GPU 加速：AlexNet 利用了 GPU 并行计算的能力，显著提高了训练速度。
• 深度架构：AlexNet 采用了8层深度网络结构，包括5个卷积层和3个全连接层，这在当时是一个相对较深的网络。
• 局部响应归一化（LRN）：在某些卷积层之后，AlexNet 使用了局部响应归一化来增强网络的泛化能力。

AlexNet 的成功不仅推动了深度学习在图像识别领域的研究，也为后续的深度学习模型，如 VGG、GoogLeNet 和 ResNet 等奠定了基础。它的出现是深度学习历史上的一个重要里程碑。

import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l

创建模型

# 搭建网络
net = nn.Sequential(
    # 这里使用一个11*11的更大窗口来捕捉对象。
    # 同时，步幅为4，以减少输出的高度和宽度。
    # 另外，输出通道的数目远大于LeNet
    nn.Conv2d(1, 96, kernel_size=11, stride=4, padding=1), nn.ReLU(),
    nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
    # 减小卷积窗口，使用填充为2来使得输入与输出的高和宽一致，且增大输出通道数
    nn.Conv2d(96, 256, kernel_size=5, padding=2), nn.ReLU(),
    nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
    # 使用三个连续的卷积层和较小的卷积窗口。
    # 除了最后的卷积层，输出通道的数量进一步增加。
    # 在前两个卷积层之后，汇聚层不用于减少输入的高度和宽度
    nn.Conv2d(256, 384, kernel_size=3, padding=1), nn.ReLU(),
    nn.Conv2d(384, 384, kernel_size=3, padding=1), nn.ReLU(),
    nn.Conv2d(384, 256, kernel_size=3, padding=1), nn.ReLU(),
    nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
    nn.Flatten(),
    # 这里，全连接层的输出数量是LeNet中的好几倍。使用dropout层来减轻过拟合
    nn.Linear(6400, 4096), nn.ReLU(),
    nn.Dropout(p=0.5),
    nn.Linear(4096, 4096), nn.ReLU(),
    nn.Dropout(p=0.5),
    # 最后是输出层。由于这里使用Fashion-MNIST，所以用类别数为10，而非论文中的1000
    nn.Linear(4096, 10))

构造高度和宽度都为224的单通道数据，观察每一层的输出形状是否符合预期

X = torch.randn(1, 1, 224, 224)
for layer in net:
    X=layer(X)
    print(layer.__class__.__name__,'output shape:\t',X.shape)

Conv2d output shape:	 torch.Size([1, 96, 54, 54])
ReLU output shape:	 torch.Size([1, 96, 54, 54])
MaxPool2d output shape:	 torch.Size([1, 96, 26, 26])
Conv2d output shape:	 torch.Size([1, 256, 26, 26])
ReLU output shape:	 torch.Size([1, 256, 26, 26])
MaxPool2d output shape:	 torch.Size([1, 256, 12, 12])
Conv2d output shape:	 torch.Size([1, 384, 12, 12])
ReLU output shape:	 torch.Size([1, 384, 12, 12])
Conv2d output shape:	 torch.Size([1, 384, 12, 12])
ReLU output shape:	 torch.Size([1, 384, 12, 12])
Conv2d output shape:	 torch.Size([1, 256, 12, 12])
ReLU output shape:	 torch.Size([1, 256, 12, 12])
MaxPool2d output shape:	 torch.Size([1, 256, 5, 5])
Flatten output shape:	 torch.Size([1, 6400])
Linear output shape:	 torch.Size([1, 4096])
ReLU output shape:	 torch.Size([1, 4096])
Dropout output shape:	 torch.Size([1, 4096])
Linear output shape:	 torch.Size([1, 4096])
ReLU output shape:	 torch.Size([1, 4096])
Dropout output shape:	 torch.Size([1, 4096])
Linear output shape:	 torch.Size([1, 10])

读取数据集

本文使用Fashion-MNIST, 为了利用AlexNet的架构，将Fashion-MNIST的图像放大到224×224

batch_size = 128
train_iter, test_iter = d2l.load_data_fashion_mnist(batch_size, resize=224)

训练AlexNet

经验表明，随着网络规模的增大，适当降低学习率有助于获得更好的训练结果，与前一篇文章相比，使用了更低的学习率

lr, num_epochs = 0.01, 10
d2l.train_ch6(net, train_iter, test_iter, num_epochs, lr, d2l.try_gpu())

· 本文使用了大量d2l包，这极大地减少了代码编辑量，需要安装d2l包才能运行本文代码

封面图片来源
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